BRPI0011986B1 - processo e aparelho de compensação térmica para dados de saída de um fluxômetro coriolis de tubo reto - Google Patents

Abstract

"fluxômetro coriolis de tubo reto". trata-se de um processo e aparelho para obter compensação de taxa de fluxo de massa e densidade para o tubo de fluxo de um fluxômetro coriolis com tubo de fluxo reto único. a compensação da tensão térmica é proporcionada pelo uso de uma série de sensores em várias partes do fluxômetro. um primeiro sensor é acoplado ao tubo de fluxo e gera informações referentes à temperatura do tubo de fluxo. uma série de sensores adicionais são ligados de modo a se formar uma rede com uma saída de dois fios. os sensores adicionais aplicam um sinal compósito, através da saída de dois fios da rede, à eletrônica do medidor o sinal da rede representa a temperatura compósita dos componentes do fluxômetro que podem causar tensão térmica sobre o tubo de fluxo quando um diferencial de temperatura existe entre o tubo de fluxo e a temperatura dessa série de componentes. os componentes adicionais incluem a barra de equilíbrio e a caixa do fluxômetro. a compensação da sensibilidade é proporcionada pelo uso de um algoritmo inédito. a densidade é medida em um fluxômetro de tubo único que é calibrado usando-se dois materiais de densidades diferentes pelo uso de uma equação de densidade que tem componentes não lineares que representam o desvio da calibração do medidor da linear.

Description

"PROCESSO E APARELHO DE COMPENSAÇÃO TÉRMICA PARA DADOS DE SAÍDA DE UM FLUXÔMETRO CORIÓLIS DE TUBO RETO" Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um processo e um aparelho para proporcionar compensação de fluxo de massa e densidade, assim como a determinação da densidade em um fluxômetro Coriolis de tubo reto.

Problema Todos os fluxômetros Coriolis exigem compensação para corrigir os sinais gerados pelo deslocamento, induzido pela força Coriolis, do tubo de fluxo em vibração. Estes sinais representam a diferença de fase entre os captadores afastados entre si do tubo de fluxo e são indicativos do fluxo do material através do fluxômetro. Tanto medidores de tubo curvado quanto medidores de tubo reto necessitam de compensação para a alteração no módulo elástico do tubo de fluxo com a temperatura. À medida que a temperatura do tubo de fluxo se eleva, o módulo diminui e o medidor torna-se mais sensível. A compensação para a alteração no módulo elástico é facilmente obtida pelo uso de um sensor de temperatura no tubo de fluxo e do algoritmo de compensação apropriado na eletrônica do medidor.

Medidores de tubo reto têm um problema adicional no sentido de que o tubo de fluxo pode ser posto em tensão ou compressão por graus desiguais de expansão ou contração térmica dos diversos componentes do fluxômetro. A tensão sobre o tubo de fluxo torna-o menos sensivel à força Coriolis, enquanto a compressão torna-o mais sensivel. De maneira típica, a compensação da tensão térmica tem sido tentada usando-se dois sensores de temperatura; um no tubo de fluxo e um na caixa ou na barra de equilíbrio. 0 problema com o emprego de dois sensores de temperatura é que há pelo menos três componentes principais que podem ter um impacto sobre a tensão térmica do tubo de fluxo. Se o segundo sensor fica na caixa, então o impacto da temperatura da barra de equilíbrio não é levado em conta. De maneira semelhante, se o segundo sensor fica na barra de equilíbrio, então a temperatura da caixa não é levada em conta. 0 emprego de três sensores de temperatura independentes seria um aperfeiçoamento sobre dois sensores de temperatura. No entanto, três sensores independentes exigiríam três pares de fios do sensor até a eletrônica do medidor. Fios adicionais podem ser dispendiosos caso a eletrônica do medidor fique afastada do sensor. Além do mais, seriam necessários algoritmos de compensação para aplicar os fatores de ponderação apropriados às diversas temperaturas, uma vez que a temperatura da caixa não tem o mesmo efeito sobre a sensibilidade do fluxo que a temperatura da barra de equilíbrio. A patente norte-americana 4.768.384, de Flecken et alii, apresenta um fluxômetro Coriolis de tubo reto que proporciona compensação da tensão térmica pelo uso de sensores que medem a temperatura do tubo de fluxo e a temperatura da caixa. Um circuito de correção recebe os sinais de captador e gera um sinal de saída corrigido que elimina o efeito da tensão e da temperatura sobre o resultado da medição. 0 fluxômetro de Flecken et alii funciona satisfatoriamente no sentido de proporcionar compensação para a alteração no módulo elástico do tubo de fluxo. A razão é que essa compensação não exige nada mais do que a determinação da temperatura do tubo de fluxo e uma correção apropriada baseada em relações conhecidas entre temperatura, módulo elástico e sensibilidade do medidor. 0 fluxômetro de Flecken pode também determinar o diferencial de temperatura entre o tubo de fluxo e a caixa e fazer uma correção da tensão. No entanto, uma suposição deve ser feita por Flecken sobre a temperatura da barra de equilíbrio. Em uma condição térmica de regime permanente, presume-se que a temperatura do material que flui e a temperatura ambiente foram constantes durante um longo período de tempo. Nesta condição, a barra de equilíbrio e o tubo de fluxo atingem essencialmente a mesma temperatura apresentada pelo material que flui. Na condição térmica transitória, o material que flui tem uma alteração súbita na temperatura, como quando o fluxo começou pela primeira vez. Nesta condição, inicialmente, é provável que a barra de equilíbrio e a caixa tenham a mesma temperatura do ambiente. 0 tubo de fluxo tem a mesma temperatura apresentada pelo material que flui. Em geral, fluxômetros experimentam tanto uma condição térmica transitória quanto uma condição térmica estacionária. A temperatura da barra de equilíbrio começa à temperatura ambiente e lentamente se altera para a temperatura do material que flui. 0 algoritmo de compensação do fluxômetro de Flecken deve fazer uma suposição no que se refere à temperatura da barra de equilíbrio, uma vez que seus dois sensores de temperatura estão no tubo de fluxo e na caixa. Ele não pode, portanto, distinguir entre a condição térmica estacionária e a condição térmica transitória da temperatura da barra de equilíbrio. Isto é um problema, uma vez que as duas condições produzem diferentes tensões no tubo de fluxo e uma diferente sensibilidade do fluxômetro. Na condição transitória, em que a barra de equilíbrio está inicialmente à temperatura da caixa, tanto a caixa quanto a barra de equilíbrio aplicam força ao tubo de fluxo. Na condição estacionária, em que a temperatura da barra de equilíbrio é quase igual à temperatura do tubo de fluxo, a barra de equilíbrio ajuda o tubo de fluxo a resistir à força aplicada pela caixa. 0 tubo de fluxo experimenta, portanto, uma tensão mais elevada na condição térmica transitória do que na condição térmica estacionária. 0 melhor que a compensação de Flecken pode fazer é presumir que a temperatura da barra de equilíbrio esteja entre as temperaturas do tubo de fluxo e da caixa e sofre de imprecisões tanto no extremo da condição transitória quanto no extremo da condição estacionária.

Uma outra tentativa da técnica anterior para se obter compensação da tensão térmica para um fluxômetro Coriolis é vista na patente norte-americana 5.476.013, de Hussain et al. Ela proporciona compensação da tensão térmica pelo uso de peças que têm o mesmo coeficiente de expansão.

Isto elimina as tensões térmicas quando todos os componentes estão à mesma temperatura, mas não tenta resolver a situação na qual diferentes componentes têm temperaturas diferentes. A patente norte-americana 5.381.697, de Van der Pol, apresenta um fluxômetro Coriolis no qual a compensação da tensão térmica é obtida, em uma primeira modalidade, usando-se dois sensores de temperatura para medir a temperatura do tubo de fluxo. Uma segunda modalidade emprega um sensor de temperatura no tubo de fluxo juntamente com um sensor de alterações de comprimento no tubo de fluxo. Isto pode, em teoria, proporcionar uma compensação da tensão térmica precisa. Apresenta um problema, contudo, no sentido de que os dispositivos para medir a alteração no comprimento do tubo de fluxo não são tão simples ou seguros quanto os sensores de temperatura.

Além da medição do fluxo, a medição da densidade de medidores de tubo reto é também degradada pela tensão térmica. Fluxômetros Coriolis são conhecidos por proporcionarem medições da densidade precisas do material que flui. A densidade é determinada a partir da freqüência de ressonância à qual o tubo de fluxo é vibrado. Em medidores de tubo curvado, a freqüência de ressonância deve ter a correção para uma alteração no módulo elástico do tubo com a temperatura. Além disto, a correção tem que ser feita para a ligeira diminuição na freqüência de ressonância com a taxa de fluxo de massa, conforme mostrado na patente norte-americana 5.295.084. Medidores de tubo reto exigem, além disso, compensação para tensão térmica do tubo de fluxo. A freqüência de ressonância do tubo de fluxo se eleva à medida que ele é esticado e cai quando ele é comprimido, como uma corda de violão. Se estas alterações na freqüência não são compensadas, um tubo de fluxo esticado levará a uma leitura de densidade erroneamente baixa, e um tubo de fluxo comprimido levará a uma leitura de densidade erroneamente alta. As deficiências dos medidores da técnica anterior na determinação da tensão térmica no tubo de fluxo levam portanto a imprecisões na medição da densidade.

Medidores de tubo reto de tubo único têm um outro problema na medição da densidade que medidores de tubo duplo não têm. Quando a densidade do material se altera em um medidor de tubo duplo, a massa do fluido em cada tubo de fluxo se altera no mesmo grau, de modo que as massas vibratórias permanecem em equilíbrio sem o envolvimento de qualquer massa além dos tubos de fluxo enchidos com material. Quando a densidade do material se altera em um medidor de tubo reto único, a massa do tubo de fluxo se altera enquanto a massa da barra de equilíbrio permanece inalterada. Em consequência desse desequilíbrio de massa, a localização dos nós de vibração se altera. Os nós de vibração são as regiões estacionárias (barras de suporte) entre o tubo de fluxo e a barra de equilíbrio que não vibram com um ou outro componente. Os nós de vibração se movem na direção da barra de equilíbrio quando a densidade do material diminui e na direção do tubo de fluxo quando a densidade do material aumenta. Com um aumento na densidade do material, os componentes do medidor de fluxo próximos das regiões nodais que tinham estado a vibrar com o tubo de fluxo terminariam vibrando com a barra de equilíbrio. 0 movimento da região nodal na direção do tubo de fluxo transfere a massa do componente pesado para o componente leve. Esta é uma maneira eficaz de manter o equilíbrio do medidor, mas cria um problema na medição da densidade.

Em medidores de tubo duplo, a calibração da densidade é feita pela medição do período de vibração da vibração do tubo (o inverso da freqüência) com ar e com água. 0 período de vibração do tubo ao quadrado é proporcional à densidade do material. Deste modo, um gráfico do período de vibração do tubo ao quadrado versus densidade produz uma linha reta. Esta linha pode então ser usada para interpolar ou extrapolar para outros períodos de vibração do tubo medidos (corrigidos quanto à temperatura e tensão), de modo a se determinar a densidade do material. Evidentemente, a linha reta e a interpolação são todas feitas matematicamente na eletrônica do medidor.

Para medidores de tubo único, o gráfico do período de vibração do tubo ao quadrado versus a densidade do material não é uma linha reta por causa da transferência de massa com o deslocamento das regiões nodais. Quando a densidade do material aumenta, o deslocamento nodal transfere alguma parte da massa aumentada para a barra de equilíbrio, de modo que o período de vibração do tubo não aumenta tanto quanto o faria para um medidor de tubo duplo. De maneira semelhante, quando a densidade do material diminui, o deslocamento nodal transfere alguma parte da massa da barra de equilíbrio para o tubo de fluxo, de modo que não diminui tanto quanto o faria para um medidor de tubo duplo. A consequência dessa transferência de massa é que o processo de emprego da linha reta determinado pela densidade do ar e da água para calibrações leva a erros na saída de densidade do medidor. Uma calibração de densidade de três pontos, que emprega materiais com densidades de 0,8 a 1,2 g/cm3, produz uma curva precisa a partir da qual se interpolam densidades, mas o gasto e a dificuldade de empregar materiais de três densidades diferentes são consideráveis. A patente norte-americana 5.827.979 apresenta um aparelho e processos para determinar o componente relacionado com o fluxo de massa real do sinal de um fluxômetro Coriolis separadamente de erros causados pela alteração das condições de limite e dos parâmetros de fluido. Por conseguinte, um aparelho para medir a taxa de fluxo de massa de um fluido que flui com relação a um conduto de fluxo inclui: (1) um acionador de força para fazer vibrar o conduto de fluxo, (2) um sensor para medir o movimento resultante do conduto de fluxo e produzir um movimento resultante detectado do conduto de fluxo e produzir um sinal de movimento detectado indicativo dele, o movimento resultante contendo um componente de modo Coriolis e um componente de modo de condição de limite, (3) um conjunto de circuitos de processamento de sinais, acoplado ao sensor para receber o sinal de movimento detectado dele, para determinar a grandeza do componente de modo Coriolis do movimento resultante e (4) um conjunto de circuitos de saída para produzir um sinal de saída proporcional à taxa de fluxo de massa, o sinal de saída substancialmente livre da influência do componente de modo de condição de limite do sinal de movimento detectado e incluindo ainda sensores térmicos para determinação da temperatura do tubo de fluxo e do acionador. 0 documento EP 0759541 Al apresenta um conversor de fluxômetro de massa, o qual detecta a força Coriolis que atua sobre um tubo de fluxo que é alternadamente acionado com uma freqüência constante em volta de seus pontos de sustentação como uma diferença de tempo ΔΤ entre sinais de deslocamento em pares detectados em posições simetricamente opostas e determina um fluxo de massa proporcional a uma diferença de tempo ΔΤ. Os sinais de onda senoidal que têm fases diferentes a uma amplitude constante, aos quais se dá saída por bobinas detectoras em pares, são usados na formação de respectivos sinais de entrada, que são pulsações que têm valores de largura de pulsação, que são iguais a um tempo de avanço (Τ+ΔΤ) e um tempo de atraso (Τ-ΔΤ) e que têm valores de altura de onda especificados (Τ+ΔΤ) e (Τ-ΔΤ), respectivamente, são determinados como pulsações de entrada. N pedaços de pulsações (Τ+ΔΤ) e N pedaços de pulsações (T-ΔΤ) são amostrados simultaneamente em respectivos integradores que têm a mesma constante de tempo, a respectiva carga depois de ser carregada sendo descarregada usando-se uma fonte de energia de referência com a medição de uma diferença de tempo de voltagens de cruzamento zero e um sinal de diferença de tempo ampliado em 2N vezes é detectado. Deste modo, é obtida uma taxa de fluxo de massa com sensibilidade precisa sem o uso de pulsações reguladoras especiais. Além do mais, um pequeno erro de medição de tempo, devido a deslocamentos dos circuitos de carga-descarga, que são carregados com cada N pedaços das respectivas pulsações de (Τ+ΔΤ) e (Τ+ΔΤ), pode ser compensado pela comutação dos circuitos de carga-descarga a cada ciclo de carga-descarga, de modo que N pulsações de (Τ+ΔΤ) e N pulsações de (Τ+ΔΤ) possam entrar em circuitos diferentes a cada ciclo, de modo que medições de diferença de tempo estáveis e precisas podem ser efetuadas durante um longo tempo de uso. 0 fluxômetro tem um primeiro sensor para medir a temperatura do tubo de fluxo e um segundo sensor para medir a temperatura do outro tubo.

Pode-se ver portanto que uma disposição de compensação para um fluxômetro de tubo reto não pode fornecer informações precisas sobre fluxo e densidade se não se basear em informações térmicas precisas referentes a todos os componentes principais do fluxômetro. Ela também não pode fornecer informações precisas sobre densidade se não levar em conta a não linearidade da relação da densidade versus o periodo de vibração do tubo ao quadrado.

Solução Os problemas acima são solucionados e um avanço na técnica é obtido pelo processo e aparelho da invenção, que proporcionam compensação da tensão térmica para um fluxômetro Coriolis de tubo reto. A presente invenção supera estes problemas pelo emprego de um sensor de temperatura único no tubo de fluxo, como nos medidores da técnica anterior, e de uma rede de sensores de temperatura em outras peças do medidor. 0 sensor no tubo de fluxo serve a duas funções. Uma função é fornecer a temperatura usada para compensar as alterações na rigidez (módulo elástico) do tubo de fluxo com a temperatura. A outra função é fornecer uma temperatura de referência para o cálculo da tensão térmica, de modo a se compensar seu efeito sobre a sensibilidade e a densidade do fluxo. A compensação da tensão térmica da invenção funciona conjuntamente com sensores de velocidade (dispositivos de captador) presos ao tubo de fluxo do fluxômetro. 0 tubo de fluxo é vibrado à sua freqüência de ressonância durante as condições de fluxo do material. Isto induz deflexões Coriolis no tubo de fluxo que são detectadas pelos dispositivos de captador. A diferença de fase entre as saidas de sinal dos dois dispositivos de captador é proporcional à taxa de fluxo de massa do material. A freqüência de ressonância é inversamente proporcional à raiz quadrada da densidade do material. 0 retardamento de fase e a freqüência de ressonância dos dispositivos de captador são aplicados ao conjunto de circuitos eletrônicos do medidor, que processa os sinais recebidos para gerar informações sobre taxa de fluxo de massa e densidade. No entanto, é necessário que a eletrônica do medidor compense as constantes de proporcionalidade do fluxômetro para taxa de fluxo e densidade de modo a se obter uma correção da condição térmica, da densidade do material e da taxa de fluxo do fluxômetro. 0 processo e o aparelho da invenção reduzem ao minimo os problemas causados por diferenciais de temperatura entre as diversas peças de um fluxômetro Coriolis. A presente invenção proporciona uma compensação térmica para as alterações no módulo elástico do sistema oscilatório do fluxômetro. Também proporciona compensação térmica para os diferenciais de temperatura entre os componentes de um fluxômetro. Estes componentes compreendem basicamente um tubo de fluxo, uma barra de equilíbrio e uma caixa. 0 processo e o aparelho da presente invenção obtêm compensação da tensão térmica de dados de saida pela apresentação de uma série de sensores nas diversas peças do fluxômetro para detectar diferenciais de temperatura, tanto estacionários quanto transitórios, entre o tubo de fluxo, a barra de equilíbrio e a caixa do fluxômetro. A invenção apresenta pelo menos um sensor de temperatura no tubo de fluxo e apresenta também pelo menos um sensor na caixa, assim como uma série de sensores na barra de equilíbrio. Em uma outra modalidade da invenção, outros sensores podem ser instalados em outras peças do fluxômetro, inclusive em um elo de ligação com a caixa e/ou em um componente de extremidade da caixa do fluxômetro.

De acordo com a invenção, um sensor de temperatura no tubo de fluxo é ligado por um par de fios à eletrônica do medidor, de modo a se obterem informações sobre a temperatura do tubo de fluxo. Os demais sensores, inclusive os instalados na barra de equilíbrio e na caixa, são ligados em uma rede. A rede é também ligada por um par de fios à eletrônica do medidor. Os sensores de temperatura no tubo de fluxo, assim como os instalados na rede, podem ser RTDs, que são resistores que fazem aumentar a resistência com a temperatura. A eletrônica do medidor aplica uma voltagem por meio de um de dois fios ligados ao RTD do tubo de fluxo. 0 outro fio funciona como um fio de retorno ou terra. De maneira semelhante, a rede de RTDs é dotada da voltagem da eletrônica do medidor por meio de um de dois fios; o outro fio é o fio de retorno ou terra da rede de RTDs. 0 fio terra do sensor de temperatura do tubo de fluxo e o fio terra da rede de sensores podem ser combinados no fluxômetro, de modo que somente três fios são necessários para transmitir informações sobre temperatura à eletrônica do medidor. A resistência do sensor no tubo de fluxo e a resistência da rede de sensores são determinadas na eletrônica a partir da corrente em cada circuito usando-se a lei de Ohm.

Em uma modalidade da invenção, um sensor é montado no tubo de fluxo, como na técnica anterior. Além disto, um sensor é montado na parede da caixa, outro sensor é montado na extremidade da barra de equilíbrio e ainda outro sensor é montado no meio da barra de equilíbrio. Estes três sensores (excluindo-se o existente no tubo de fluxo) são ligados em série de modo a se formar uma rede com uma saída de dois fios, que é ligada à eletrônica do medidor. Os três sensores que constituem esta rede fornecem informações à eletrônica do medidor que representam as condições de temperatura dentro do fluxômetro que podem provocar tensões no tubo de fluxo. Uma vez que são ligados em série, eles fornecem a soma das temperaturas dos sensores na rede. A rede de sensores em série não fornece informações à eletrônica do medidor indicando as temperaturas especificas dos componentes aos quais os sensores são ligados ou acoplados. Ao invés, a rede de sensores representa informações térmicas compósitas que são usadas pela eletrônica do medidor para compensar informações de saida sobre fluxo e densidade. Uma vez que os três sensores são ligados em série, o sinal de saida da rede não representa a temperatura individual da barra de equilíbrio, da caixa, ou de qualquer componente específico do fluxômetro. A finalidade da rede de sensores de temperatura é dar saída a um único sinal de temperatura que pode ser usado conjuntamente com o sinal de temperatura do tubo de fluxo de modo a se predizer com precisão uma alteração na sensibilidade de fluxo do medidor. A localização e o número de sensores de temperatura na rede são cruciais. Os componentes do medidor que têm um impacto elevado sobre a tensão térmica no tubo de fluxo, como a barra de equilíbrio, podem ter vários sensores. Componentes tais como os flanges não têm impacto sobre a tensão térmica no tubo de fluxo e não têm sensores de temperatura. A temperatura na caixa tem um impacto intermediário sobre a tensão no tubo de fluxo e tem um número intermediário de sensores. 0 impacto de um componente do fluxômetro sobre a tensão no tubo de fluxo é proporcional ao montante de força que ele pode aplicar ao tubo de fluxo. A força oriunda da barra de equilíbrio é aplicada diretamente à parte ativa do tubo de fluxo por meio das barras de suporte rígidas. A força da caixa é aplicada às partes inativas do tubo de fluxo e é dividida e sofre a resistência tanto da parte ativa do tubo de fluxo quanto da parte ativa da barra de equilíbrio. A força exercida pela caixa tem assim menos impacto do que a força exercida pela barra de equilíbrio. De modo que a rede de sensores dê saída a um sinal de temperatura indicativo da tensão térmica, é necessário avaliar a importância da barra de equilíbrio mais pesadamente do que a caixa. Por exemplo, se a temperatura da barra de equilíbrio tem o dobro do efeito que tem a temperatura da caixa, dois sensores podem ser colocados na barra de equilíbrio e um sensor pode ser colocado na caixa. A ligação desses sensores (RTDs) em série dá a temperatura (resistência) total. A divisão do total por três dá uma temperatura média ponderada, que dá a temperatura da barra de equilíbrio duas vezes a importância que tem a caixa. Na eletrônica do medidor, a temperatura média ponderada da rede é em seguida subtraída da temperatura do tubo para a compensação da tensão no tubo.

No exemplo acima, não faz diferença se a caixa e a barra de equilíbrio estão a temperaturas iguais ou diferentes, isto porque elas são ponderadas de acordo com seu impacto sobre a tensão no tubo de fluxo. Por exemplo, a sensibilidade (tensão) do fluxo é a mesma quer o tubo, a barra de equilíbrio e a caixa estejam todos a 70 graus, ou quer o tubo esteja a 70, a barra de equilíbrio a 75 e a caixa a 60. A razão é que a média considerada de (75+75+60)/3 é igual a 70. A importância física é que a contração da caixa de 60 graus é apenas contrabalançada pela expansão da barra de equilíbrio de 75 graus, de modo que o tubo de fluxo não experimenta carga axial.

Outra vantagem no emprego de vários RTDs em série é que, para compensação exata, a temperatura média de um componente deve ser usada para se determinar a expansão total e a força exercida. Nenhuma localização pode dar a temperatura média. Um RTD próximo da extremidade da barra de equilíbrio registraria uma alteração na temperatura rapidamente depois de uma alteração na temperatura do fluido, mas a temperatura do centro da barra de equilíbrio pode atrasar-se com relação à temperatura da extremidade em horas. A existência de dois RTDs na barra de equilíbrio em série, um no centro e um próximo da extremidade, dá uma representação muito mais exata da temperatura média e portanto da expansão da barra de equilíbrio. Quatro RTDs na barra de equilíbrio e dois na caixa dariam uma representação ainda mais exata, ao mesmo tempo mantendo-se a ponderação de dois para um. Ou, caso a importância relativa da temperatura da barra de equilíbrio para a temperatura da caixa fosse alguma outra razão, o número apropriado de RTDs poderia ser colocado em cada componente.

Ainda outra vantagem da rede de sensores de temperatura é que toda a rede mais o sensor no tubo de fluxo exigem apenas três fios (usando-se um fio terra comum) através da alimentação da caixa e até o transmissor. Isto é importante por causa do custo dos fios. A presente invenção faz a ponderação e a média adequadas na rede de RTDs em lugar de transmitir todas as temperaturas individuais à eletrônica para processamento. A presente invenção aplica a temperatura do tubo de fluxo e a temperatura composta dos sensores em série juntamente com o retardamento de tempo entre o captador e a freqüência de ressonância do tubo de fluxo às equações de fluxo e densidade do material aperfeiçoadas. Estas equações calculam a taxa de fluxo e a densidade com exatidão aperfeiçoada em comparação com os medidores da técnica anterior.

Um aspecto da invenção é um processo e um aparelho para proporcionar compensação para dados de saida de um fluxômetro Coriolis que tem um tubo de fluxo e uma barra de equilíbrio, que são adaptados, quando em uso, para serem vibrados em oposição de fase; o fluxômetro gerando deflexões Coriolis do tubo de fluxo em vibração em resposta a um fluxo de material através do tubo de fluxo em vibração; 0 processo compreendendo as etapas de: gerar um primeiro sinal que representa as deflexões Coriolis do tubo de fluxo em vibração; acionar um sensor acoplado ao tubo de fluxo para gerar um segundo sinal que representa a temperatura do tubo de fluxo; o processo compreendendo também: acionar sensores adicionais acoplados a uma série de componentes de fluxômetro adicionais exclusivos do tubo de fluxo para gerar um terceiro sinal que representa a temperatura composta da série de componentes adicionais do fluxômetro; o terceiro sinal sendo gerado pela ligação das saidas dos sensores adicionais, de modo a se formar uma rede com uma saida que estende o terceiro sinal até a eletrônica de medidor do fluxômetro; usar o segundo sinal e o terceiro sinal para obter informações referentes à tensão térmica aplicada ao tubo de fluxo pela série de componentes de fluxômetro; usar as informações referentes à tensão térmica aplicada ao tubo de fluxo, de modo a compensar os dados de saida referentes ao material que flui através do fluxômetro.

Preferivelmente a etapa de gerar o segundo sinal compreende a etapa de obter um sinal que representa a temperatura do tubo de fluxo do sensor acoplado ao tubo de fluxo; e em que a etapa de gerar o terceiro sinal compreende as etapas de: ligar a saida dos sensores adicionais de modo a se formar uma rede; as saidas dos sensores adicionais sendo ligadas de modo a se contribuir para a magnitude do terceiro sinal em proporção à tensão imprimida por cada um de seus componentes de fluxômetro afins à tensão térmica total aplicada por todos os componentes ao tubo de fluxo; obter o terceiro sinal de uma saida da rede que representa a temperatura composta da série de componentes em resposta à recepção pela rede dos sinais aplicados pelos sensores adicionais.

Preferivelmente a série de componentes compreende a barra de equilíbrio e a caixa; e nos quais a etapa de acoplar os sensores adicionais compreende as etapas de: acoplar um primeiro sensor à caixa; acoplar pelo menos um sensor à barra de equilíbrio; ligar as saídas do primeiro sensor e do pelo menos um sensor adicional de modo a se formar a rede.

Preferivelmente a etapa de ligar a saída dos sensores adicionais compreende a etapa de: ligar as saídas dos sensores adicionais em série, de modo a se formar a rede.

Preferivelmente o processo e aparelho incluem a etapa de estender a rede, através de dois condutores, à eletrônica do medidor.

Preferivelmente a etapa de compensar compreende a etapa de gerar dados de saída corrigidos referentes à taxa de fluxo de massa do material.

Preferivelmente a etapa de gerar dados de saída corrigidos compreende a etapa de: determinar um sinal de deflexão Coriolis não compensada; obter uma compensação do módulo; obter uma compensação da tensão térmica; e usar o sinal de deflexâo Coriolis não compensada e a compensação do módulo e a compensação da tensão térmica para obter uma taxa de fluxo de massa corrigida.

Preferivelmente a etapa de gerar a taxa de fluxo não compensada compreende a etapa de solucionar a expressão Onde: FCF - Fator de Calibraçâo de Fluxo = Retardamento de tempo dos sinais de captador = Retardamento de tempo a fluxo de material zero Preferivelmente a etapa de obter a compensação do módulo compreende a etapa de solucionar a expressão ikfti , Tf) Onde: = Constante do medidor baseada na alteração no módulo do tubo de fluxo com a temperatura = Temperatura do tubo de fluxo Preferivelmente a etapa de obter a compensação da tensão térmica compreende a etapa de solucionar a expressão Onde: = Constante do medidor baseada na alteração na tensão térmica com a temperatura = Temperatura do tubo de fluxo = Temperatura dos sensores da rede Preferivelmente â etapa de obter compensação da densidade compreende a etapa de solucionar a expressão Onde: = Constante do medidor para efeito da densidade sobre o fluxo = Período de vibração do tubo com temperatura compensada = Constante do período de vibração do tubo determinada no momento da calibração da densidade do fluxômetro Preferivelmente a etapa de gerar dados de saída corrigidos compreende a etapa de obter uma taxa de fluxo de massa corrigida pela solução da expressão: Onde: = Taxa de fluxo de massa = Fator de calibração do fluxo = Retardamento de tempo dos sinais de captador = Retardamento de tempo a fluxo de material zero = Constante do medidor baseada na alteração no módulo do tubo de fluxo com a temperatura = Constante do medidor baseada na alteração na tensão térmica com a temperatura = Constante para o efeito da Densidade sobre o fluxo = Constante do período de vibração do tubo determinada no momento da calibração da densidade do fluxômetro = Temperatura do tubo de fluxo = Temperatura dos sensores da rede = Período de vibração do tubo com compensação de temperatura Preferivelmente a etapa de gerar dados de saída corrigidos compreende a etapa de obter uma taxa de fluxo de massa corrigida pela solução da expressão: Onde: = Taxa de fluxo de massa Preferivelmente a etapa de compensar inclui a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material.

Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade inclui as etapas de: configurar o fluxômetro para dar entrada a constantes da memória; calibrar o fluxômetro de modo a se obterem constantes; determinar uma taxa de fluxo não compensada; determinar um período compensado do tubo com fluxo corrigido; determinar um período do tubo com fluxo, módulo e tensão corrigidos; determinar uma equação de densidade linear; determinar um período do tubo diferencial igual à diferença entre o período compensado do tubo e uma constante do fluxômetro k2, determinada durante a calibração da densidade do fluxômetro; multiplicar a equação de densidade linear pela soma de 1 +o produto de uma constante de medidor C3 vezes o quadrado do período de tubo diferencial + o produto de uma constante de fluxômetro ca vezes o período de tubo diferencial.

Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de: configurar o fluxômetro para dar entrada a constantes ai, 32, C3, ca e Fd de uma memória da eletrônica do medidor.

Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de: calibrar o fluxômetro Coriolis de modo a se determinarem constantes ci, C2, to, k2 e Ato.

Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de: determinar Onde: FCF = Fator de Calibração do fluxo = Retardamento de Tempo dos sinais de arrancamento = Retardamento de tempo a fluxo zero Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de: calcular Onde: = Período de vibração do tubo compensado para efeito do fluxo de massa = Período de vibração do tubo de fluxo medido bruto = Taxa de fluxo de massa = Constante do efeito do fluxo de densidade Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de: calcular a expressão Onde: = Período de vibração do tubo de fluxo compensado para módulo, tensão e fluxo = Período de vibração do tubo compensado para efeito do fluxo de massa = Constantes de correção de temperatura do período de vibração do tubo para módulo e tensão = Compensação do período de vibração do tubo de fluxo para fluxo de massa Período de vibração do tubo de fluxo medido bruto Taxa de fluxo de massa Constante do efeito do fluxo de densidade Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de calcular o desvio da densidade do material da densidade determinada pela equação de densidade linear onde ci e C2 são constantes e é o período compensado do tubo ao quadrado.

Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de: modificar a expressão para combinar com os componentes não lineares (I + C3 .

Onde: = Período de vibração do tubo de fluxo medido bruto = Período de vibração do tubo de fluxo compensado módulo, tensão e fluxo = densidade do material determinada = Constante do período de vibração do tubo determinada no momento da calibração da densidade do material Ci,C2tC3,&C4 = Constantes de correção da densidade do material de tubo único Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidos referentes à densidade do material inclui a etapa de: calcular a densidade do material a partir da expressão Onde; = densidade do material determinada = Constante do período de vibração do tubo determinada no momento da calíbração da densidade do material C3&C4 = Constantes de correção da densidade do material de tubo único Preferivelmente o valor Tcp é determinado pela solução da expressão: Onde: o efeito do módulo sobre a densidade o efeito da tensão térmica sobre a densidade ai e az = sâo constantes do fluxômetro referentes ao efeito do módulo e da tensão térmica sobre a densidade Preferivelmente a etapa de obter dados de saída corrigidas referentes à densidade inclui a etapa de solucionar a expressão: Onde : Densidadennear = Densidade determinada pela equação de densidade linear. 0 termo é a diferença entre o período de vibração do tubo compensado Tcp (para temperatura, tensão e fluxo) e uma constante de período de vibração do tubo k2 determinada durante a calibração da densidade do fluxômetro.

Outro aspecto compreende um processo e um aparelho que acionam um fluxômetro Coriolis para determinar a densidade de um fluxo de material no fluxômetro Coriolis: o processo compreendendo as etapas de: configurar o fluxômetro Coriolis para determinar parâmetros do medidor a\, a2, C3 e C4/ calibrar o fluxômetro Coriolis quanto à densidade do material que flui usando-se um processo de calibração linear de dois pontos; determinar os coeficientes de calibração ci e C2; obter uma curva de calibração não linear para o fluxômetro Coriolis combinando-se com a curva de calibração linear de modo a se anular o desvio da calibração do fluxômetro Coriolis do linear; medir o período efetivo do tubo; determinar um período compensado do tubo usando-se determinar a densidade do material usando-se a curva de calibração não linear.

Descrição dos Desenhos As vantagens acima e outras vantagens dos recursos da invenção são melhor entendidas quando tomadas conjuntamente com a descrição seguinte delas e os desenhos, nos quais: a Figura 1 ilustra um corte transversal de um fluxômetro que corporifica a invenção; a Figura 2 ilustra o conjunto de circuitos de uma primeira modalidade exemplar da invenção; a Figura 3 ilustra o conjunto de circuitos de uma segunda modalidade exemplar possível da invenção; a Figura 4 é um gráfico do período de vibração do tubo ao quadrado versus a densidade; a Figura 5 é um gráfico do erro de densidade versus a densidade; a Figura 6 é um gráfico que mostra erro de densidade versus alteração no período de vibração do tubo; a Figura 7 ilustra um fluxograma para o processo da invenção que determina a taxa de fluxo de massa do material; a Figura 8 ilustra um fluxograma para o processo da invenção que determina a densidade do material.

Descrição Detalhada A Figura 1 apresenta um fluxômetro Coriolis, 100, e o componente de eletrônica de medidor 130. O fluxômetro 100 tem uma caixa cilíndrica, 103, que encerra o tubo de fluxo 101 e uma barra de equilíbrio cilíndrica circundante, 102. O tubo de fluxo 101 tem uma parte de extremidade esquerda, 101L, e uma parte de extremidade direita, 101R. O tubo de fluxo 101 e suas partes de extremidade estendem-se ao longo de todo o fluxômetro, da extremidade de entrada 107 até a extremidade de saída 108 do tubo de fluxo 101. A barra de equilíbrio 102 é ligada em suas extremidades 105 ao tubo de fluxo 101 pelas barras de suporte circulares 114. As barras de suporte circulares 114 têm uma abertura central para alojar o tubo de fluxo 101. As extremidades da barra de equilíbrio 102 são também ligadas por uma junção, em 105, a uma extremidade interna dos elos de ligação com a caixa 110, que são tiras delgadas. As extremidades externas dos elos de ligação com a caixa são ligadas à parede interna 112 da caixa 103. Cada elo de ligação com a caixa 110 contém uma dobra fora de plano, 111. A caixa 103 tem uma parte de extremidade, 128, que começa na solda 121 e que tem um gargalo, 124, que se estende em sentido axial para fora a partir dela até o componente de solda 122, que é por sua vez ligado ao gargalo 125 do flange 106. 0 componente de ligação em forma de cone 123 é circular e é posicionado dentro da parte de gargalo circular 124 da parte de extremidade 128 da caixa. A conexão em forma de cone 123 tem uma abertura central para alojar, de modo a poder vedar, as partes 101L e 101R do tubo de fluxo 101. O elo de ligação com a caixa 110 e a conexão em forma de cone 123 estabilizam a barra de equilíbrio 102 e, por sua vez, o tubo de fluxo 101, impedindo translações indesejadas destes componentes com relação à parede 103 da caixa. O flange 106 tem uma superfície axial externa, 138, e uma abertura interna que inclui um componente de rebordo, 127, que liga, de modo a poder vedar, as partes de extremidade 101L e 101R do tubo de fluxo ao flange 106. A superfície 113 é a circunferência externa do flange 106. O componente 109 é a superfície axial interna do flange 106. Os componentes 122 e 121 são soldas. O componente 125 é um gargalo do flange 106. O componente 105 é uma junção na extremidade da barra de equilíbrio 102, assim como uma junção de uma perna radial interna do elo de ligação com a caixa 110 e da barra de equilíbrio 102.

De uma maneira convencional notoriamente conhecida, o acionador D e o dispositivo de captador esquerdo LPO e o dispositivo de captador direito RPO são acoplados ao tubo de fluxo 101 e à barra de equilíbrio 102. O acionador D recebe sinais através da trajetória D (não mostrada) a partir da eletrônica de medidor 103, de modo a fazer com que o acionador D faça vibrar o tubo de fluxo 101 e a barra de equilíbrio 102 em oposição de fase à freqüência de ressonância do tubo de fluxo 101 enchido com material. A oscilação do tubo de fluxo em vibração 101, juntamente com o fluxo de material nele, induz deflexões Coriolis no tubo de fluxo de uma maneira notoriamente conhecida. Estas deflexões Coriolis são detectadas por dispositivos de captador, LPO e RPO, com as saídas destes dispositivos de captador sendo transmitidas através dos condutores LPO e RPO (não mostrados) à eletrônica de medidor 130. De uma maneira notoriamente conhecida, a diferença de fase entre os sinais de saída dos dispositivos de captador representa informações referentes ao fluxo de material dentro do tubo de fluxo 101. A eletrônica de medidor 130 processa estes sinais de modo a gerar informações de saída que são aplicadas ao condutor 137, representando os diversos parâmetros do fluxo de material. Estes parâmetros podem incluir densidade, taxa de fluxo de massa e outras informações sobre o fluxo de material. O processo e o aparelho de compensação térmica da presente invenção são controlados pelos sensores Sl, S2, S3 e S4. O sensor Sl é ligado ao tubo de fluxo 101 e dá saída a informações sobre a temperatura do tubo de fluxo, através dos condutores 134 e 133, para a eletrônica de medidor 130. Os sensores S2, S3 e S4 são ligados em série de modo a se formar uma rede com condutores de saída, 132 e 134. Esta rede transmite informações à eletrônica do medidor referentes às tensões térmicas às quais o tubo de fluxo 101 é submetido. O condutor 134 é o fio terra comum tanto para o sensor Sl do tubo de fluxo quanto para o sensor S4 da caixa da rede. Deste modo, tanto o sensor Sl do tubo de fluxo quanto a rede de sensores S2, S3 e S4 da rede em série de dois fios partilham o condutor 134. Isto reduz ao mínimo o número de condutores que deve ser estendido através da alimentação 131 até a eletrônica do medidor 130. A eletrônica do medidor pode às vezes ser localizada remotamente com relação ao fluxômetro 100. É desejável que se reduza ao minimo o número de condutores que devem ser estendidos através da alimentação 131 do fluxômetro 100 até um componente de eletrônica de medido situado remotamente.

Descrição da Figura 2 0 conjunto de circuitos dos sensores Sl, S2, S3 e S4 é mostrado na Figura 2. O sensor Sl do tubo de fluxo é ligado entre o condutor 133 e o condutor comum 134. Os sensores S2, S3 e S4 são ligados em série entre o condutor 132 e o condutor comum 134. O terminal 201 é uma junção do condutor 134 e do sensor S4 e do sensor Sl. Os sensores Sl, S2, S3 e S4 podem ser vantajosamente RTDs com uma resistência nominal de 100 ohms a uma temperatura nominal de 0°C. A resistência de cada RTD varia com as alterações na temperatura por um fator de 0,39 ohm para cada alteração de 1°C na temperatura. 0 RTD Sl é montado no tubo de fluxo 101 e varia sua resistência à medida que a temperatura do tubo de fluxo se altera. Esta informação sobre a resistência é aplicada, através dos condutores 133 e 134, através da alimentação 131, à eletrônica de medidor 130. O medidor de eletrônica 130 processa esta informação e a converte em temperatura do tubo de fluxo usando informações programadas em uma memória da eletrônica de medidor 130. Os sensores S2 e S3 são montados na barra de equilíbrio 102, com o sensor S3 sendo posicionado próximo da extremidade da barra de equilíbrio e com o sensor S2 sendo posicionado próximo do meio da barra de equilíbrio. O sensor S4 é ligado à parede interna 112 da caixa 103. A tensão à qual o tubo de fluxo 101 é submetido é determinada basicamente pelo diferencial de temperatura entre o tubo de fluxo e a barra de equilíbrio. Em menor medida, as tensões no tubo de fluxo são também influenciadas pela temperatura da caixa. Uma vez que a temperatura da barra de equilíbrio é mais importante na determinação das tensões no tubo de fluxo, a presente invenção emprega dois sensores na barra de equilíbrio e um sensor na parede da caixa. Uma vez que estes três sensores são ligados em série e uma vez que dois dos três sensores ficam na barra de equilíbrio, a saída da rede nos condutores 132 e 133 é ponderada em favor da barra de equilíbrio 102. O fluxômetro pode estar sujeito a condições nas quais um diferencial de temperatura existe entre a caixa e o tubo de fluxo em uma base de longo prazo. O fluxômetro pode estar também sujeito a condições de temperatura nas quais o tubo de fluxo tem sua temperatura subitamente alterada quando um material de temperatura diferente passa através do tubo de fluxo. Os sensores S1...S4 funcionam durante a ocorrência de todas essas condições de modo a aplicarem informações, através das trajetórias 132, 133 e 134, à eletrônica do medidor 130, que processa essas informações, converte em informações de tensão no tubo de fluxo e as processa, de modo a compensar e corrigir os dados de saída do fluxômetro.

Descrição da Figura 3 A Figura 3 é um diagrama de circuitos para uma rede de temperatura na qual dois dos sensores ficam eletricamente em paralelo um com o outro e em série com os demais sensores existentes na rede. Se estes sensores ligados em paralelo fossem RTDs, suas resistências seriam quase iguais e sua resistência liquida seria aproximadamente metade da resistência de RTD normal. Sensores em paralelo podem ser portanto usados em locais que tenham muito pouco impacto sobre a tensão no tubo, tais como as extremidades da caixa ou os elos de ligação com a caixa. A temperatura "média" da rede da Figura 3 seria obtida dividindo-se a resistência total da rede por 2,5.

Descrição da Compensação do Fluxo de Massa Medidores de tubo curvado duplo, devido à sua geometria, são imunes aos efeitos da tensão térmica e da mudança na gravidade especifica do fluido. Sua sensibilidade ao fluxo só é alterada pelo efeito da temperatura sobre o módulo elástico dos tubos de fluxo. A equação de fluxo de massa básica para fluxômetros Coriolis de tubo curvado duplo é: EQ. 1 Onde: Fator (Constante) de Calibração do Fluxo Retardamento de tempo de sinais de arrancamento Retardamento de tempo a fluxo zero Constante baseada na alteração da sensibilidade do fluxo com o módulo do tubo de fluxo Temperatura do tubo de fluxo Para fluxômetros de tubo reto único, o fator de calibração de fluxo de massa pode também deslocar-se devido a gradientes de temperatura entre a caixa/barra de equilíbrio e o tubo de fluxo e devido à mudança na gravidade especifica do fluido. De modo a se medir o gradiente de temperatura entre os componentes de um fluxômetro Coriolis de tubo reto, na presente invenção são colocados três RTDs em série no fluxômetro (dois na barra de equilíbrio e um na caixa), de modo a se obter uma temperatura sistêmica compósita. Esta temperatura sistêmica compósita é então empregada pela presente invenção em uma equação de fluxo de massa para compensação da tensão térmica. Um termo de temperatura adicional é adicionado pela presente invenção à Equação 1 de modo a se obter: EQ. 2 Onde: constante baseada na alteração da sensibilidade ao fluxo com a tensão térmica Onde Tsérie é a soma dos 3 RTDs em série 0 processo e o aparelho da presente invenção adicionam também mais um termo à equação 2 de modo a se obterem dados de saída corrigidos e compensados para um fluxômetro Coriolis de tubo reto. 0 termo adicionado compensa o efeito da densidade do fluido sobre a sensibilidade ao fluxo do medidor. A explicação para a necessidade deste termo é apresentada a seguir.

Fluxômetros de tubo único têm dispositivos de captador que medem a diferença de velocidade entre o tubo de fluxo e a barra de equilíbrio. As localizações dos dispositivos de captador no tubo de fluxo experimentam a força Coriolis com retardamentos de fluxo e tempo entre suas velocidades senoidais. A barra de equilíbrio não experimenta força Coriolis direta, havendo, portanto, um retardamento de tempo mínimo entre as velocidades nos locais de captador da barra de equilíbrio. Uma vez que cada sinal de saída de captador é proporcional à diferença entre as velocidades do tubo de fluxo e da barra de equilíbrio nos locais de captador, cada sinal de captador torna-se a soma vetoríal da velocidade do tubo deslocada em fase e da velocidade da barra de equilíbrio com deslocamento de fase mínimo. Quando a densidade do· fluido se altera, a razão da amplitude de vibração entre o tubo de fluxo e a barra de equilíbrio se altera, de modo a se conservar o momento·. Isto resulta em que os vetores de velocidade do tubo de fluxo e da barra de equilíbrio têm o comprimento alterado e suas somas vetoriais (os sinais de saída do dispositivo de captador) se alteram em fase ou retardamento de tempo. É esta alteração na fase do sinal de saída com uma alteração na densidade do material que o termo compensação da densidade cuida em resolver. A equação de fluxo de massa resultante é: EQ.3 Onde: Taxa de fluxo de massa Fator de calibração de fluxo Retardamento de tempo dos sinais de captador Retardamento de tempo a fluxo zero Constante baseada na alteração no módulo do tubo de fluxo com a temperatura Constante baseada na alteração na tensão térmica com a temperatura Constante para efeito da densidade sobre sensibilidade ao fluxo Constante do período de vibração do tubo determinada no momento da calibração da densidade Temperatura do tubo de fluxo Temperatura dos sensores de rede Período de vibração do tubo com compensação da temperatura, conforme discutido na Equação 5.

Os termos na EQ.3 podem ser melhor entendidos pelo agrupamento seguinte: EQ. 4 Onde: Na equação 4, a taxa de fluxo de massa não compensada é modificada por três termos de compensação. Os primeiros dois termos são compensações da temperatura. 0 primeiro representa a compensação da alteração no módulo kfti do tubo de fluxo com a temperatura do tubo. 0 segundo termo é o termo tensão térmica. 0 termo tensão térmica é proporcional à diferença entre a temperatura do tubo de fluxo e a temperatura composta produzida pela rede de sensores de temperatura. 0 terceiro termo de compensação na equação 4 é a compensação do efeito da densidade sobre a sensibilidade ao fluxo.

Descrição da Compensação da Densidade do Fluxo A compensação do efeito da densidade sobre o fluxo é, como a compensação da tensão térmica, aperfeiçoada em comparação com a técnica anterior pelo emprego da determinação da temperatura composta fornecida pelo aparelho e processo da presente invenção. 0 termo compensação da densidade, mostrado como o termo DENSIDADEcomp da equação de fluxo de massa 4, consiste em duas constantes, kft3 e k.2, e no período de vibração do tubo de fluxo com compensado da temperatura, Zct. 0 período de vibração do tubo de fluxo é usado na presente invenção como uma medida indireta da densidade do material na compensação da taxa de fluxo de massa. 0 período de vibração medido do tubo de fluxo deve ser compensado tanto pela alteração no módulo elástico do tubo de fluxo quanto pela tensão térmica do tubo de fluxo, de modo a se obter uma indicação suficientemente precisa do efeito de compensação da densidade do material. A taxa de fluxo tem também um pequeno efeito sobre o período de vibração do tubo de fluxo. Quando se determina a densidade do material, é portanto necessário levar em conta o efeito do fluxo (taxa de fluxo de massa}. No momento» contudo, o período de vibração do tubo de fluxo só está sendo determinado de modo a se compensar o efeito da densidade sobre a taxa de fluxo de massa, e o efeito· da taxa de fluxo sobre o· período de vibração do tubo é pequeno e pode, portanto, ser negligenciado. A equação para o período de vibração do tubo com compensação da temperatura é: EQ.5 Onde: Período de vibração do tubo com temperatura compensada para a compensação do fluxo de massa Período de vibração medido do· tubo de fluxo Constantes de correção da temperatura da densidade Notar-se-ã que a equação 5 contém sob o radical o termo ai. Tf para a alteração no módulo do tubo com a temperatura e o termo para a alteração na rigidez devida à tensão térmica. 0 termo de tensão térmica, mais uma vez, é determinado pela diferença entre a temperatura do tubo de fluxo e a temperatura composta. Esta equação mostra que a determinação do período de vibração do tubo de fluxo com a temperatura compensada é melhorada em comparação aos fluxômetros da técnica anterior pelo emprego da temperatura composta do fluxõmetro.

Desse modo, todos os três termos de compensação na equação de fluxo de massa (Equação 3) fazem aumentar a exatidão pelo emprego da temperatura composta do fluxõmetro.

Os termos de módulo e tensão térmicos são diretamente melhorados enquanto o termo de efeito da densidade (o terceiro termo de compensação) melhora a exatidão por uma determinação mais precisa do periodo de vibração corrigido do tubo de fluxo. A compensação do fluxo de massa para o efeito da densidade, o terceiro termo de compensação na equação de fluxo de massa 3, exige apenas o periodo de vibração corrigido do tubo, não a densidade do material que flui.

Discussão das Interações de Compensação As equações 2, 3 e 4 são estruturadas usando-se a suposição de que as compensações para temperatura, tensão e densidade do material que flui têm interações. As interações são compensações sobre compensações, tais como uma compensação do módulo sobre uma compensação da densidade. Na equação 4, o número um adicionado a cada compensação é a fonte dos termos de interação. As interações são só significativas quando um ou mais dos termos de compensação têm um valor elevado comparado com a taxa de fluxo não compensada. Por exemplo, se a densidade do material que flui fosse extremamente alta (como o mercúrio) , a taxa de fluxo não compensada seria significativamente mais baixa que a taxa de fluxo real e o termo de compensação da densidade seria grande. Se as compensações de módulo e tensão fossem aplicadas somente ao fluxo não compensado, elas seriam significativamente baixas. Levando-se em conta as interações, as compensações de módulo e tensão são também aplicadas à quantidade de fluxo determinada pela compensação da densidade.

Em geral, fluxômetros de tubo reto único têm limites sobre a temperatura operacional permissivel e sobre a faixa permissivel de densidade do fluxo. Estes limites tornam as interações da equação 4 insignificantes e a equação 5.1, que não contém interações, pode ser usada. EQ.5.1 Em geral, a equação 4 mais complexa não é necessária, uma vez que os casos extremos de temperatura, tensão e densidade estão geralmente fora dos limites permissiveis do fluxômetro.

Descrição da Determinação da Densidade A equação para a determinação da densidade do material de acordo com a presente invenção difere da do medidor de tubo curvado duplo. A equação de determinação da densidade para um fluxômetro de tubo curvado duplo é: EQ. 6 Onde: densidade da água densidade do ar período de vibração do tubo com a água período de vibração do tubo com o ar período de vibração do tubo durante o funcionamento constante baseada na alteração do módulo do tubo de fluxo com a temperatura temperatura do tubo de fluxo A equação de densidade 6 é para tubos de fluxo curvados duplos. 0 primeiro termo é obtido da equação para a freqüência de ressonância de um sistema de massa de mola vibratório. A equação 6 tem dois termos adicionais nela. 0 segundo termo em parênteses é o termo familiar para a alteração no módulo elástico do tubo de fluxo com a temperatura. 0 termo adicional final é a constante C2, que é necessária porque o período de vibração do tubo de fluxo não vai até zero quando a densidade vai até zero (quando o tubo de fluxo está vazio). 0 período de vibração não vai até zero porque os tubos de fluxo têm massa mesmo quando vazios. As constantes c\ e C2 são determinadas pela calibração do medidor em densidade com o ar e a água. Usando-se as densidades conhecidas para o ar e a água e os períodos de vibração medidos do tubo, as constantes ci e C2 são calculadas para as equações acima. A equação 6 mostra que o medidor de fluxo de tubo curvado tem um termo para o deslocamento no módulo do tubo de fluxo com a temperatura, mas nenhum termo para a tensão térmica. A geometria do tubo curvado torna a tensão térmica insignificante. A equação 6 mostra também que a densidade é diretamente proporcional ao quadrado do período de vibração medido do tubo de fluxo com o deslocamento ci devido ao fato de que o tubo de fluxo vazio ainda tem massa. A determinação da densidade do material que flui em um fluxômetro de tubo reto único é mais complexa que a de um fluxômetro de tubo curvado duplo, conforme descrito acima na equação 6. Várias diferenças devem ser consideradas para fluxômetros de tubo reto único. Em primeiro lugar, o período de vibração do tubo de fluxo deve ter a tensão térmica compensada, além da alteração no módulo com a temperatura. A compensação da tensão térmica é necessária porque o esticamento ou a compressão do tubo de fluxo pode reduzir ou elevar o período de vibração do tubo independentemente da densidade. Uma vez que a densidade é proporcional ao período de vibração do tubo ao quadrado, a raiz quadrada das compensações familiares da tensão e da alteração no módulo é usada para compensar o período de vibração do tubo.

Em segundo lugar, o período de vibração do tubo de fluxo deve ter o efeito do fluxo de massa compensado. A patente norte-americana 5.295.804 mostra que o período do tubo de fluxo em vibração aumenta ligeiramente com taxas de fluxo elevadas. Deve-se ter o efeito do fluxo de massa compensado, caso contrário as leituras de densidade a taxas de fluxo elevadas serão erroneamente altas. Esta compensação pode ser também empregada para aperfeiçoar a exatidão de medidores de tubo duplo e curvado. A equação aperfeiçoada da presente invenção para determinar o período de vibração compensado do tubo de fluxo é: EQ.7 Onde: Período de vibração do tubo de fluxo compensado com módulo, tensão e fluxo Período de vibração do tubo compensado com o efeito do fluxo de massa Constantes de correção de temperatura do período de vibração do tubo para módulo e tensão.

Compensação do período de vibração do tubo de fluxo para fluxo de massa Período de vibração medido bruto do tubo de fluxo Taxa de fluxo de massa (pode ser estimada em Constante do efeito do fluxo de densidade A calibração da densidade é normalmente feita antes da calibração do fluxo porque a calibração da densidade pode ser feita sem fluxo, o que faz com que o termo de compensação de fluxo, ttd, na equação 7 seja igual ao período de vibração medido bruto do tubo. As constantes ai e 32 assim como Fa são constantes do medidor que são as mesmas para todos os medidores de um dado tamanho. Elas são determinadas através de verificação extensiva e introduzidas na eletrônica do medidor quando o medidor é configurado. A equação de densidade requer o uso do período de vibração compensado tcp do tubo da equação 7, A determinação da densidade de um fluxômetro de tubo único difere da de um fluxômetro de tubo duplo no sentido de que a densidade não é bastante proporcional ao quadrado do periodo de vibração compensado do tubo para um medidor de tubo único. A densidade não é proporcional ao periodo de vibração do tubo ao quadrado para um medidor de tubo único porque a densidade cambiante do fluido provoca o movimento dos nós que definem as extremidades do tubo de fluxo e da barra de equilíbrio. 0 movimento destes nós provoca uma transferência de massa efetiva entre o tubo de fluxo e a barra de equilíbrio. A transferência de massa faz com que o gráfico da densidade do fluido versus o período de vibração do tubo ao quadrado seja uma curva, e não a linha reta dos medidores de tubo duplo. É portanto necessário que a equação para determinar a densidade de um fluido tenha termos adicionais (além dos da equação 6) . A relação entre o período de vibração compensado do tubo e a densidade do material é mostrada pela equação seguinte: EQ. 8 Onde: densidade do material que flui constantes determinadas por uma calibração de densidade de dois pontos Constante do período de vibração do tubo determinada no momento de calibração da densidade Constantes de correção da densidade do tubo reto 0 primeiro termo em parênteses na equação 8 é o termo de densidade linear da equação 6. As constantes ci e C2 são determinadas através das calibrações de ar e água quanto à equação 6. Os termos adicionais na equação 8 proporcionam a compensação da densidade para a alteração no módulo, tensão e fluxo. Os termos adicionais proporcionam também a transferência de massa efetiva entre o tubo de fluxo e a barra de equilíbrio com alterações na densidade. As constantes para esses termos, C3 e C4, determinam o desvio da relação linear dos medidores de tubo duplo. Elas são constantes para um dado tamanho de medidor e são determinadas através de verificação extensiva. C3 e C4 não exigem calibração para cada medidor.

Descrição da Figura 4 A Figura 4 é um gráfico do período de vibração do tubo ao quadrado versus a densidade do material para um medidor de tubo reto e um medidor de tubo curvado duplo. A linha que representa o medidor de tubo duplo é reta. Esta relação linear permite que medidores de tubo duplo tenham a densidade calibrada em dois materiais, o ar e a água, uma vez que dois pontos definem uma linha reta. A curva que representa o medidor de tubo reto único desvia-se da linha reta. Ela se desvia por causa da alteração na posição das regiões nodais, conforme discutido anteriormente. Para um medidor de tubo reto único, o emprego da linha reta obtida por uma calibração de ar e água, como é feito para medidores de tubo duplo, subestimaria a densidade para materiais mais pesados que a água e superestimariam a densidade para materiais mais leves que a água. A curva de calibração não linear que representa o medidor de tubo reto único na Figura 4 pode ser determinada efetuando-se uma calibração que empregue mais de dois materiais de densidades diferentes. Todavia, seria mais demorado e dispendioso empregar pontos de calibração em materiais outros que não o ar e a água na calibração do medidor.

Descrição da Figura 5 A Figura 5 mostra um gráfico do erro de densidade que resultaria do emprego da equação de densidade linear padrão (tubo duplo) da Figura 4 em um medidor de tubo único. Pode-se ver que o erro de densidade é zero tanto no ponto de zero de densidade do ar quanto no ponto de um de densidade da água. 0 erro de densidade é positivo para materiais de densidade mais baixa e negativo para materiais de densidade mais elevada. Este gráfico pode ser também considerado o desvio da curva de saida da densidade do medidor de tubo reto único do emprego da linha reta produzida por calibrações de dois pontos.

Descrição da Figura 6 A Figura 6 é outra maneira de mostrar os dados de erro (desvio) de densidade da Figura 5. Este gráfico da Figura 6 mostra o erro de densidade (ou desvio da linha de calibração linear) versus a diferença entre o período de vibração medido do tubo e o período de vibração do tubo enchido com água (ambos com fluxo e temperatura corrigidos). 0 desvio de densidade é a diferença entre a densidade real do material e a densidade predita usando-se a linha reta gerada pelas calibrações da densidade de ar-água da Figura 4. Este processo de apresentar os dados de desvio coloca a origem do gráfico (0,0) no ponto de calibração da densidade da água. Também possibilita uma equação relativamente simples da curva dos pontos de dados. A equação para o desvio da densidade do uso de uma calibração linear de dois pontos com um medidor de tubo reto único é mostrada na Figura 6. A presente invenção inclui um novo processo de calibração para determinar a densidade em medidores de tubo reto único que tem a exatidão de calibrações de três pontos enquanto se usam somente calibrações da densidade do ar e da água. Usando-se o novo processo, é efetuada uma calibração de dois pontos, obtendo-se a linha reta usual. Esta linha varia de medidor para medidor, mesmo para o medidor de tamanho idêntico. Esta linha varia tanto em inclinação quanto em periodo de vibração do tubo com a água. No entanto, o processo da presente invenção faz uso do fato de que todos os medidores de um dado tamanho têm o mesmo desvio da linha de calibração de dois pontos (semelhante à mostrada na Figura 6) . Esta curva contém o desvio dos pontos de densidade real da linha reta. O ponto 0,0 na curva de desvio é localizado no ponto de calibração da água sobre a linha reta da calibração de dois pontos.

Na presente invenção, a inclinação de ar-água e o periodo de vibração do tubo para a água são determinados por uma calibração de ar-água (ci e C2) . A equação do desvio dessa linha reta é armazenada na memória da eletrônica do medidor para cada tamanho de medidor. As constantes de equação para o desvio dessa linha são C3 e ca na equação de densidade 8. Elas são determinadas por meio de verificação extensiva. Os valores de C3 e ca são diferentes para tamanho de medidor. A eletrônica do medidor sabe qual tamanho de medidor está em uso, uma vez que ele é introduzido durante a montagem inicial do medidor. A eletrônica do medidor determina a densidade real do material subtraindo um desvio da linha reta da calibração de dois pontos. 0 desvio subtraído é determinado pela equação de desvio armazenada na memória da eletrônica do medidor.

Na presente invenção, portanto, a eletrônica do medidor determina a densidade efetuando correções quanto à alteração no módulo com a temperatura, quanto à tensão térmica, usando um processo aperfeiçoado para determinar a temperatura composta do medidor, efetuando correções quanto à taxa de fluxo de massa e usando um processo de compensação aperfeiçoado que compensa a não linearidade na densidade versus a curva de período de vibração do tubo ao quadrado.

Descrição da Figura 7 A Figura 7 é um diagrama em blocos que descreve a maneira pela qual a presente invenção desempenha sua função de compensação da taxa de fluxo de massa. O diagrama em blocos da Figura 7, assim como da Figura 8, apresenta uma série de etapas de processamento ou programa, cada uma delas representando uma ou mais instruções de programa armazenados em uma memória da eletrônica de medidor 130. As instruções são executadas por uma CPU da eletrônica do medidor, ou com os resultados sendo armazenados em memória, ou dando-se saída aos resultados para o usuário através da trajetória 137. 0 fluxômetro é configurado e calibrado na etapa 701, que contém duas etapas 701 A e 701B. A etapa 701 A dá entrada às constantes kfti, kft2, kft3, ai, a2 e Fd da memória da eletrônica do medidor 130. A etapa 701B calibra o fluxômetro e determina os componentes FCF, k2 e Ato. As informações de saída das etapas 701 A e 701B são aplicadas, através da trajetória 702, à etapa 706. A etapa 703 representa os sinais de captador senoidais do medidor. Eles são transmitidos, através da trajetória 704, à etapa 706. A etapa 706 extrai o retardamento de tempo produzido pelo fluxo, Atmeas, e o período de vibração do tubo de fluxo, Tm. A etapa 708 representa as resistências do RTD do tubo de fluxo e da rede de RTDs. As resistências são transmitidas, por meio da trajetória 709, à etapa 711 da eletrônica do medidor, onde elas são convertidas na temperatura e na temperatura composta do tubo. O período de vibração bruto do tubo de fluxo da etapa 706 e as temperaturas da etapa 711 são transmitidos, pelas trajetórias 714 e 712, à etapa 715, que calcula o período de vibração Tm do tubo de fluxo com a temperatura corrigida. O período de vibração corrigido Tct do tubo é em seguida transmitido, por meio da trajetória 716, à etapa 717. A etapa 717 recebe também o retardamento de tempo ao fluxo zero Ato e ao retardamento de tempo Atmeas produzido pelo fluxo, através da trajetória 707, da etapa 706, assim como as temperaturas do tubo de fluxo e compósita, através da trajetória 713, da etapa 711.

Na etapa 717, a equação de fluxo de massa compensada é aplicada como entradas das etapas 706, 715 e 711. Em seguida, é dada saida à taxa de fluxo de massa compensada m, através das trajetórias 718, para a aplicação do usuário (não mostrada). Também não são mostradas na Figura 7 as trajetórias da memória da eletrônica do medidor (etapa 701), onde as constantes são armazenadas para as etapas nas quais são usadas.

Descrição da Figura 8 A Figura 8 é um diagrama em blocos que descreve a maneira pela qual as instruções de programa da presente invenção desempenham sua função de compensação da saida de densidade do material. 0 medidor é configurado e calibrado na etapa 801, que consiste nas etapas 801 A e 801B. Na etapa 801A, é dada entrada às constantes cz, ca, ai, 32 e Fd da memória da eletrônica do medidor 130. A etapa 801B gera os símbolos ci, C2, Ato e kz através da calibração do medidor. A saída da etapa 801 é aplicada, através da trajetória 802, à etapa 806. A etapa 803 representa os sinais de captador senoidais. Estes sinais de captador são introduzidos na eletrônica do medidor na etapa 806 através da trajetória 804. Na etapa 806, o retardamento de tempo Atmeas devido ao fluxo e o período de vibração brutorm do tubo de fluxo são determinados. Entrementes, os sinais RTD da etapa 816 são transmitidos, através da trajetória 817, à etapa 818, na qual eles são convertidos em temperatura. A etapa 808 recebe o retardamento de tempo ao fluxo zero Ato da etapa 801 (trajetória não mostrada) , o retardamento de tempo Atmeas devido ao fluxo e o período de vibração bruto Tm do tubo de fluxo da etapa 806 através da trajetória 807. A etapa 808 recebe também a temperatura do material e a temperatura composta TCom da etapa 818 através da trajetória 819. Na etapa 808, a taxa de fluxo de massa m é calculada conforme descrito na Figura 7. A taxa de fluxo de massa m é aplicada, através da trajetória 809, à etapa 811, na qual ela é usada, juntamente com o período de vibração bruto do tubo, para calcular o período de vibração Tfd com sua taxa de fluxo de massa compensada. Ela é então aplicada, através da trajetória 812, à etapa 813, na qual é usada, juntamente com as temperaturas da etapa 818, através da trajetória 820, para calcular o período de vibração Tcp do tubo, também com seu deslocamento de módulo compensado com a temperatura, assim como com a tensão térmica. Todos os parâmetros são agora conhecidos para a solução da equação de densidade linear mostrada na etapa 813. O período de vibração Tcp completamente compensado é então transmitido, através da trajetória 814, à etapa 821, que modifica a equação de compensação linear Cí.t2 - ci da etapa 806 pela combinação dela com o termo de compensação não linear (I+C3. (Tcp-kí)2 + C4. (Tcp-k2) ) . Este termo não linear é combinado com a equação linear da etapa 806 de modo a se formar a equação de densidade completa, que é passada, através da trajetória 822, à etapa 823. A etapa 823 recebe esta informação e calcula a densidade pm do material. A densidade pm do material é transmitida, através da trajetória 822, a uma aplicação de saida (não mostrada). Também não são mostradas na Figura 8 as trajetórias da memória (etapa 801), onde as constantes são armazenadas para as etapas nas quais elas são usadas.

Deve ficar expressamente entendido que a invenção reivindicada não deve ser limitada à descrição da modalidade preferida, mas engloba outras modificações e alterações dentro do alcance e espirito do conceito da invenção. Por exemplo, embora a presente invenção tenha sido descrita como compreendendo uma parte de um fluxômetro Coriolis de tubo reto único, deve ficar entendido que a presente invenção não é limitada neste sentido e pode ser usada com outros tipos de fluxômetro Coriolis, inclusive fluxômetros de tubo único de configuração irregular ou curvada, assim como fluxômetros Coriolis que tenham uma série de tubos de fluxo.

Desse modo, o emprego do termo "material" deve ser entendido como incluindo fluidos, gases, plasma, assim como quaisquer e todas as substâncias que podem fluir através de um medidor de fluxo para a determinação e medição de informações referentes aos materiais. Além disto, embora relações e equações especificas tenham sido descritas com relação à invenção, deve ficar entendido que a invenção inclui, e pode ser praticada com, modificações das equações e relações apresentadas.

REIVINDICAÇÕES

Claims (4)

1. Processo de obter compensação para dados de saída de um fluxômetro Coriolis que tem um tubo de fluxo (101) e uma barra de equilíbrio (102) , que são adaptados, quando em uso, para serem vibrados em oposição de fase; o fluxômetro gerando deflexões Coriolis do tubo de fluxo em vibração em resposta a um fluxo de material através do tubo de fluxo em vibração; o processo compreendendo as etapas de: utilizar captadores (LPO, POR) para gerar um primeiro sinal (LPO, RPO) que representa as deflexões Coriolis do tubo de fluxo em vibração; utilizar um primeiro sensor (Sl) para gerar um segundo sinal representando a temperatura do tubo de fluxo; o processo CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: utilizar sensores adicionas (S2, S3, S4) para gerar um terceiro sinal representando a temperatura compósita de uma pluralidade de elementos (102, 103) do fluxômetro; usar o segundo sinal e o terceiro sinal para gerar informações referentes ao estado térmico do tubo de fluxo e da série de componentes de fluxômetro; e usar as informações referentes ao estado térmico para compensar os dados de saída referentes ao material que flui através do fluxômetro.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de gerar o segundo sinal compreende uma etapa de obter um sinal que representa a temperatura do tubo de fluxo do sensor (Sl) acoplado ao tubo de fluxo; e em que a etapa de gerar o terceiro sinal compreende etapas de: acoplar sensores adicionais (S2, S3, S4) para a pluralidade de componentes de fluxômetro ; conectar a saída dos sensores adicionais para formar uma rede (132, 133); e obter o terceiro sinal de uma saída da rede que representa a temperatura composta da série de componentes em resposta à recepção, pela rede, dos sinais aplicados pelos sensores adicionais.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a série de componentes compreende a barra de equilíbrio e a caixa; e em que a etapa de acoplar os sensores adicionais compreende as etapas de: acoplar um primeiro sensor (S4) à caixa; acoplar pelo menos um sensor (S2, S3) à barra de equilíbrio; e ligar as saídas do primeiro sensor e do pelo menos um sensor adicional de modo a se formar a rede.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de ligar a saída dos sensores adicionais compreende uma etapa de: